计算机硬件体系结构ppt课件

1、.计算机系统由两部分组成，称为计算机硬件，存储数据，执行各种计算和处理；另一部分是指示计算机逐步执行操作的命令序列，称为计算机的软件。本章介绍计算机硬件体系结构的基本知识。包括：计算机系统的配置；微型计算机主机结构；外部存储简要介绍常用的外部设备计算机命令系统。第三章计算机硬件体系结构，3.1计算机系统的配置，一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成。计算机的硬件系统通常由操作符、控制器、存储、输入设备和输出设备5部分组成。其中CPU(中央处理器)=计算控制器主机=中央处理器主存储软件是指包括计算机本身运行所需的系统软件以及用户完成任务所需的应用程序软件的任何类型的程序和数据。3.1计算机

2、系统的配置，3.1.1计算机的硬件系统，3.1计算机系统的配置，基于冯诺依曼的计算机将程序和数据预先存储在内存中，运行时可以自动从计算机中取出并运行。根据Von neumann计算机体系结构，在运行程序和处理数据时，必须首先将程序和数据从外部存储加载到主存储。然后，让计算机在工作时自动从存储中取出指令并运行，这就是存储程序概念的基本原理。3.1.2基于冯诺依曼的计算机的结构。3.1计算机系统的配置，典型的计算机硬件体系结构如下：3.1计算机系统的配置，冯诺依曼计算机体系结构的主要特征如下：(1)以二进制格式表示程序和数据。(2)计算机硬件包括五个部分：操作符、控制器、存储、输入设备和输出设备。

3、(3)程序和数据以二进制形式保存在内存中。(4)控制器根据存储在内存中的命令(程序)运行。3.1.3微型计算机的诞生和发展微型计算机属于第四代电子计算机产品大规模和超大型集成电路计算机。微型机与其他几种计算机没有本质区别。区别在于，计算机将构成计算机硬件系统的两个关键部分运算器和控制器集成到一个集成电路芯片中央处理器CPU中。CPU分为处理信息的4位或8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器和64位微处理器等。计算机的CPU现在通常是32位或64位处理器。3.1计算机系统的配置，3.2微机主机结构，微机基本上由显示器、键盘和主机组成。基本机箱内包括中央处理器CPU、主板、硬盘驱动器、CD

4、ROM驱动器、软驱、电源、显示适配器(图形卡)等。3.2微型计算机主机结构、3.2.1中央处理器CPU CPU计算传感器组件、寄存器组件和控制器组件。CPU的主要性能指标：(1)时钟/外部频率(时钟=外部频率倍频，即CPU工作频率)(2)数据总线宽度(请参阅字长度，从CPU传输数据的位数)(3)地址总线宽度(确定CPU可以访问的地址空间)，3.2微机主机结构，1 .运算符操作器是完成算术和逻辑操作的部件，也称为算术和逻辑操作设备。计算机执行的所有运算都在运算符内执行。运算器的核心组件是： (1)运算逻辑组件(2)寄存器组件，以及2。控制器控制器从存储中删除指令、解码指令，并根据指令解码结果依次

5、向其他组件发送控制信号，从而使每个组件能够一致地执行各种操作。3.2微机主机结构，控制器主要由程序计数器组成。要在内存中运行的下一个命令的存储地址。指令寄存器。储存指令执行期间目前正在执行的指令。命令解码器。用于标识命令的功能并分析命令的操作要求。定时零件。产生电脑作业所需的各种计时信号，以调整各种零件的作业顺序。微操作控制电路。命令执行可以分解为一系列精细操作。3.2微型计算机主机结构，3.2.2高级CPU技术双核CPU技术：由于构建双CPU系统的成本和复杂性，未在台式机中推广。“双核”技术实际上是在一个CPU上集成两个物理执行内核，每个内核使用其自己的独立高速缓存，因此在实际使用中，由这些

6、“双核处理器”和两个独立CPU组成的系统在工作原理和性能上基本上没有区别。3.2微机主机结构，3.2.3板，是与计算机各种设备的连接载体。提供CPU、各种接口卡、内存和硬盘、软驱和光驱的插槽，其他外部设备也通过主板上的I/O接口连接到计算机。3.2微机主机结构，主板逻辑结构：3.2微型计算机主机结构，最早的PC主板连接是简单的，并不是因为快速CPU、中速内存、较慢的外围设备连接到一条总线，系统的整体性能无法优化。3.2微计算机主机结构，486微计算机后到奔腾ii，主板通常使用南湾桥芯片结构板。3.2微型计算机主机结构，Pentium ii采用的南北桥芯片结构板。3.2微型计算机主机结构，奔腾i

7、ii或更高的主板结构(采用中央结构的主板结构)。3.2微型计算机主机结构，中板结构，PCI-E :PCI Express。它是最新的总线和接口标准，用于代替PCI，AGP接口规范，具有1X、2X、4X、8X和16X信号通道。其中X1和X16的PCI-E接口位宽是X16，这是PCI-E主流规格，而不是AGP接口，可以提供5GB/s的带宽，远远大于AGP 8X的2.1GB/s。3.2微机主机结构，内部存储位于主机内部(简称存储器)，一般由半导体材料构成。内部内存可以分为只读内存和随机读写内存。内部存储分类，3.2.4内部存储，3.2微机主机结构，1 .只读存储特性：存储的信息是只读的，不会随机复盖

8、或存入，停电后不会丢失信息，而且可靠性高。rom分类(1)掩码ROM(主lrom) (2)可编程PROM(可编程ROM) (3)可清除EPROM(可拆卸PROM) (4)电气清除，3.2微机主机结构，2 .随机存取记忆体功能：随机记忆体(储存原始资料、中间结果、最终结果)。通电前为空，断电后数据消失)。RAM分类： (1) SRAM:静态RAM。典型的高速缓冲存储，不需要充电以保持数据完整性，成本高，整合少。(2) DRAM:动态RAM。为了保持数据的完整性，必须定期充电，通常称为“内存”，这是其配置。一般来说，SDRAM -同步动态内存DDR-double rate memory(DDR 2

9、-quad rate memory DDR 3)，3.2微型计算机主机结构，存储单元地址，0000H 0001H 0002H FFFFH，存储结构图，存储位，存储单元(字节)，存储512 MB 2 GB，存储单元特征：地址和存储单元通过一个或多个字节中相应的数据存储CPU单元地址访问存储单元中的数据存储在新数据存储设备中复盖原始数据，3.2微机主机结构，3 .Cache(缓存)Cache是缓存缓冲存储，这是一项重要技术，用于解决CPU和主存储之间的速度不匹配问题。其中片上高速缓存集成在高速缓存芯片上，片上高速缓存集成在主板上。高速缓冲内存的访问速度比主存储快一级，通常相当于CPU的处理速度。，

10、3.2微型计算机主机结构，4 .多级高速缓存最早的CPU高速缓存是完整的，容量极低。如果集成在CPU核心中的高速缓存不足以满足CPU要求，并且制造过程的限制没有显着增加高速缓存容量，则集成在与CPU相同的电路板或主板上的高速缓存出现时，集成CPU核心的高速缓存称为1级高速缓存，外部高速缓存称为2级高速缓存。5 .双核CPU的二级高速缓存双核CPU的二级高速缓存更为特殊，与以前的单核CPU相比，最重要的是两个内核的高速缓存一致地存储数据。6 .存储分层结构需要快速高容量，同时价格和要求合理，在当前的技术条件下，这三个指标很难在单一类型的存储中实现。折衷方案是采用层次结构。3.2微机主机结构，3.

11、2微机主机结构，3.2.5总线，总线：连接各个部件的一组公共通信线路，作为传输计算机内部指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的重要组成部分。总线根据发送的信号分类为数据总线地址总线控制总线。3.2微机主机结构，地址总线。发送地址信号，通常是单向传输。如果CPU需要访问外围设备，请通过向地址总线发送该外围设备的地址信号来选择外围设备。数据总线。传输数据，通常双向传输。当CPU“读取”时，数据从外围设备流向CPU，当CPU“写入”时，数据从CPU流向外围设备。控制公共汽车。有些信号控制外围设备，发送检测状态的信号，CPU发送到内存或外部设备。有些是内存或外部设备向CPU发出的信号。信号

12、是每个控制线的单向传输，但作为整体是双向的。3.2根据计算机硬件系统(也称为内部总线)的位置拆分总线的微机主机结构。CPU芯片内部的总线。片间总线(也称为本地总线)。是用于芯片主要互连的主板上的外围芯片和CPU之间的总线。系统总线(也称为输入/输出总线)。是计算机中插件板级别互连的插件板和系统板之间的总线。外部总线(也称为通信总线)。是计算机与外部中低速外部设备之间或外围设备与主机连接的总线。3.2微机主机结构，与各级计算机总线的简单关系，3.2微型计算机主机结构、计算机系统三层总线图、北桥、CPU、内存、缓存、本地总线、南桥、PCI接口(网卡、声卡等)、键盘、鼠标、接口、USB、3.2微机主

13、机结构、系统总线标准主要可分为ISA总线、PCI总线和PCI Express三个阶段。ISA总线。最早的8位系统总线。之后扩展到了16位。ISA是现代个人计算机的基础。PCI总线。其主要特点是传输速度快，广泛应用于现代计算机。AGP总线。为系统中的一个图形卡设计的总线。PCI express总线。下一代总线接口。系统总线标准，3.2微型计算机主机结构，ISA PCI AGP，3.2微型计算机主机结构，PCI Express，3.2微型计算机主机结构，典型的I/o总线类型：USB总线、IEEE1394总线等。USB总线是串行接口总线。这是一种外部总线，最多可以连接127台设备。由于即插即用支持热

14、插拔的优点，USB接口已成为许多外围设备的标准接口。USB有两种规格：USB1.1和USB2.0。高效串行总线接口标准，主要用于连接IEEE1394总线DV产品。外部总线标准，3.2 I/O接口是连接主机和外部设备的逻辑部件，由I/O接口电路、连接器(通常为连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。，3.2.6连接器，3.2微型计算机主机结构可以根据I/O接口是否内置在主板上，将I/O接口分为两类：内部I/O接口和外部I/O接口。(1)内置I/O接口将I/O接口电路集成到主板上，并直接在主板上提供外围设备接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、USB接口、串行接口、并行接口以及软盘和硬盘接口。(

15、2)外部I/O接口将I/O接口集成到单独的电路板中。此时，接口卡接口卡接口卡应插入PCI、PCI Express等总线扩展槽。3.3外部存储。存储通常用于存储需要永久保留或不需要相对长期保护的各种程序和数据。如果需要运行外部存储的程序或处理外部存储中的数据，则必须将其加载到RAM中，CPU实例才会处理外部存储，因此外部存储实际上属于输入输出设备。当前计算机常用的外部存储包括软盘存储、硬盘存储和磁盘存储，以及u盘。79，3.3外部存储，3.3.1软盘，79，3.3外部存储、3.3.2硬盘存储是计算机最重要的外部存储，通常用于安装运行计算机所需的系统软件和应用程序软件以及存储大量数据。硬盘由盘组和

16、硬盘组成，固定在密封的金属外壳上。3.3.3 CD存储，1只读CD只读CD上的数据在创作时写入，用户只能读取CD上的数据，不能读取CD上的数据。最常见的只读磁盘是CD-ROM磁盘。当然，数字音频cd-r DA、VCD、DVD等也属于只读光盘。2次磁盘写入此类型的磁盘允许用户一次写入数据，不能修改和删除数据。与CD-R相同。3可写磁盘，与可多次写入或修改磁盘上数据的磁盘相同。与CD-RW相同。3.3外部存储，从磁盘读取数据的设备称为光驱。光驱将聚焦激光投影到光盘上，利用光盘凹进或凹进边缘反射的激光强度来表示不同的电信号。光驱的倍数是光盘的数据传输速率(150KB/s等于1倍)。CD-ROM光盘驱动器可以读取CD-ROM、CD-R a、cd-r、CD-RW、VCD光盘等，但不能读取DVD。D